【正文】 M 變流器所替代，明顯的擴(kuò)大了電機(jī)控制的調(diào)運(yùn)范圍，提高了調(diào)速精度，改善了效率 [5]。但 發(fā)電機(jī) 電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是需要增加兩臺與調(diào)速電動機(jī)相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)和一些輔助勵磁設(shè)備，因而體積大，維修困難。第四， 1957 年世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，與其他變流元件相比，晶閘管具有許多獨(dú)特的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強(qiáng)大的生命力。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展。 我國從 20 世紀(jì) 60 年代初試制成功第一只硅晶閘管以來，晶閘管電流調(diào)速系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。目前我國大部分?jǐn)?shù)字化控制直流調(diào)速設(shè)備還是依靠進(jìn)口。 本次設(shè)計的單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)完成的主要內(nèi)容如下： 設(shè)計單片機(jī)最小系統(tǒng)電路； 設(shè)計電機(jī)驅(qū)動電路； 設(shè)計 LED 顯示電路顯示轉(zhuǎn)速的等級； 設(shè)計鍵盤控制電路。 4 第二章 直流電機(jī)的 工作 原理 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 模型 中，不可以轉(zhuǎn)動的裝置有磁鐵、電刷，磁鐵裝置也叫做主 磁極。向電樞鐵心上安放了 A 以及 X 兩條導(dǎo)體連結(jié)成的電樞線圈，線圈開頭以及末尾各自連結(jié)到兩個銅片上，這銅片叫做換向片。 圖 21 直流電機(jī)物理模型圖 直流電機(jī)的基本工作原理 在上段話描述的直流電機(jī)中 ， 假如刪去原動機(jī)，再讓兩個電刷接通直流電源，像圖 22（ a）展現(xiàn)一樣，就會有直流電流由電刷 A 流進(jìn)去，途經(jīng)線圈 abcd，最后在電刷 B 流出來，再依照電磁力定律，載流導(dǎo)體 ab 以及 cd 被電磁力所 干擾 ，可由左手定則 來 判斷其方向，兩段導(dǎo)體所受到的力構(gòu)成了一個轉(zhuǎn)矩，從而讓轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)。即使外面第二章 直流電機(jī)的工作原理 5 加進(jìn)來的是直流電源，但因為換向片以及換電刷的功能影響，最后從線圈中流過來的電流還是交流的，所以其最終作用的轉(zhuǎn)矩的方向也是不會改變的。 本文便是操縱這類操控方法改變電壓占空比來達(dá)成對直流電機(jī)速度的操縱。 （ 2） 20 世紀(jì) 40 年代，起先 是 用汞弧整流器 以及 閘流管構(gòu)成的靜止變流設(shè)備 替代 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，但 是 在后期馬上被更加 低成本以及 安全的晶閘管變流裝置所 替代 。 （ 3)） 脈寬調(diào)制 (PWM)變換器也稱為直流斬波器，其的作用是使用功率開關(guān)器件關(guān)閉和斷開實現(xiàn)操控，控制通斷時間比例，將穩(wěn)定的直流電源電壓轉(zhuǎn)換成平均值可控制的直流電壓，也可叫做 DCDC 變換器?，F(xiàn)在因為科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展消除了學(xué)科之間的界線，綜合當(dāng)下控制技術(shù)， PWM 操控電機(jī)調(diào)速能力將越來越重要 [16]。電機(jī)的平均速度： DVVD ?? max ，從這個公式中可以知道，調(diào)節(jié)占空比就能獲得任意的電機(jī)速度。 圖 31 系統(tǒng)方案框圖 本系統(tǒng)控制對象是 55LCX 永磁式直流電機(jī)，主要技術(shù)指標(biāo)如表 。 方案一：首先系統(tǒng)控制器選用 FPGA，其中文名為現(xiàn)場可編輯門列陣， FPGA 能夠完成很多繁雜的邏輯功能，密度非常高，其把全部器件集成在一塊很細(xì)小芯片上，大大縮小了 8 體積，穩(wěn)定性也得到很大提高，還能使用 EDA 軟件仿 真、調(diào)試，便于實現(xiàn)功能控制。其自由度大、算術(shù)運(yùn)算功能比一般的強(qiáng)，能用多種語言所以軟件編程變通，還能 夠用軟件編程完成全部算法以及邏輯控制。因此本次設(shè)計選用方案二。 本次設(shè)計使用 51 系列單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計，這種型號的單片機(jī)的優(yōu)勢包括：功耗較低，低電壓環(huán)境工作，屬于性能較高的 CMOS 八位類型。這種技術(shù)的輸出引腳與指令系統(tǒng)都是相互兼容的。在前一種方式里， RAM、串行口以及中斷系統(tǒng)和定時器等都不會因為 CPU工作的停止而中斷。單片機(jī)的最小系統(tǒng)通常包括了時鐘電路以及復(fù)位電路，同時這些非常小的系統(tǒng)能夠保證單片機(jī)的 平常運(yùn)行，是其運(yùn)行所不可或缺構(gòu)成部分。本型號的單片機(jī)的具體的管腳圖如圖 32 所示： 圖 32 單片機(jī)引腳圖 電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計方案 本文中最重要的是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度，所以電機(jī)驅(qū)動模塊不可或缺，考慮以下方法。 本次設(shè)計 不需要在硬件電路設(shè)計花很多時間，就能將重心用在完成算法以及軟件設(shè)計構(gòu)思中，工作效果也能得到 保證，能在最短的時間中完成工作。在本次論文設(shè)計中數(shù)碼管完全可以完成本次目標(biāo)。 根據(jù)本次設(shè)計的設(shè)計要求，顯示模塊選用方案一。 方案二：選用行列式鍵盤，它的特征是行線、列線一一對應(yīng)連輸入線、輸出線。 第三章 系統(tǒng)方案論證 11 按照兩個方案的理解，且對照論文的要求，最后決定選用第二種。 根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，采用方案二作為系統(tǒng)的供電模塊。 12 第四章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 如下圖 41 所示為硬件電路設(shè)計框圖，硬件電路結(jié)構(gòu)初步假想由以下 6 部分組成：復(fù)位電路、時鐘電路、輸入電路、單片機(jī)、驅(qū)動電路和直流電機(jī)。 圖 41 硬件系統(tǒng)電路設(shè)計框圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 單片機(jī)最小系統(tǒng)一般包括晶振、復(fù)位電路和電源電路。本設(shè)計采用12MHZ 晶振，外接 電容 C1 和 C2。 所以，只要檢驗輸入線的電平狀態(tài)能夠很簡單知道其中哪個按鍵被啟動了。正常按鍵在啟動的剎那會有抖動發(fā)生，就是簧片在被下壓會有細(xì)小的反彈，必須要過一定的時間才能完全碰到。這個問題一般可通過調(diào)用子程序來解決，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)子程序時，調(diào)用幾回顯示子程序也能剛好達(dá)到消除抖動的目的。 圖中，四只 GTR 三極管分成兩組， 1VT 和 4VT 為一組， 2VT 和 3VT 為另外一組。脈沖頻率能讓電動機(jī)轉(zhuǎn)速有一定影響，雖然脈沖頻率高時其連續(xù)性好，但導(dǎo)致其帶負(fù)載能力變差，在脈沖頻率低的時候跟上述相反。通過從 輸入信號， 輸入低電平與從 輸入低電平， 輸入信號分別完成電動機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)功能。 存儲電路設(shè)計 為了能將系統(tǒng)所設(shè)定的參數(shù)在系統(tǒng)掉電之后還能夠恢復(fù)， 所以 在設(shè)計時須考 慮如何來存儲這些特定的參數(shù)。 I2C 總線的數(shù)據(jù) 傳遞 速率在 正常標(biāo)準(zhǔn)的工作方式下 一般 為 100kbit/s 而在快速方式下最高傳 遞 速率 能 達(dá)到 400kbit/s。AT24C01A 的管腳功能如表 所示。 LED 顯示電路設(shè)計 四位一體數(shù)碼管顯示 要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示器中要經(jīng)過透明鎖存器的數(shù)據(jù)緩沖電路。任意一位數(shù)碼管顯示都是由 8 個發(fā)光二極管構(gòu)成的，根據(jù)不同的二極管發(fā)光，來顯 示出不同的數(shù)據(jù)。壞處是：每一個字形必須占用一個數(shù)碼管，每一個數(shù)碼管都必須 8 位 I/O 口來操控，所需電路非常復(fù)雜而且成本高。下面圖 48 所表示的就是數(shù)碼管顯示的原理圖： 圖 48 共陰數(shù)碼管原理圖 CS0、 CS CS CS3 各自作為四位一體數(shù)碼管的位選端，當(dāng)中間一個端口置于低電平時，則這一位數(shù)碼管就被選中；最后再回去設(shè)置段選端，段選端被 8 位數(shù)據(jù)線操控，當(dāng)一個端口處于高電平時則其所對應(yīng)的一段顯示。 18 圖 410 數(shù)碼管顯示電路 P24， P25， P26， P27 對應(yīng)連接單片機(jī)的引腳， 1， 2， 3， 4 接數(shù)碼管引腳。 總電路 圖 411 為根據(jù)以上電路設(shè)計的總電路 圖 411 總電路 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 19 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 主程序流程圖 主程序的主要的作用是負(fù)責(zé)調(diào)度各個子程序模塊，使之具有需要要求的整體的功能，主程序流程如圖 51 所示。對定時器置初值 8AD0H 可定時為 60ms。 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 21 TL1=(65536500)%256。 } if(count2==50) //1 秒 { count2=0。 } if(model==1) { ctrl2=1。 else ctrl1=1。 if(count=pwm)ctrl2=0。ctrl1=1。 第六章 系統(tǒng)調(diào)試 23 第六章 系統(tǒng)調(diào)試 本系統(tǒng)的編譯器 在進(jìn)行單片機(jī)程序編寫的時候 都 需要用到一款軟件就是 Keil 軟件， keil 軟件是當(dāng)前使用最廣泛和最多的單片機(jī)程序編寫和調(diào)試軟件。 圖 61 KEIL 軟件窗口圖 在上面簡單介紹了一下 keil 軟件的特點(diǎn)功能后，下面要介紹如何使用 keil 軟件進(jìn)行程序的編寫，首先要在 keil 軟件中新建一個工程。 在次，進(jìn)行第三步的操作：新建一個程序的文件，并把文件保存成 .C 格式的文件，之后對文件進(jìn)行保存，并把文件添加到工程中，之后就可以在文件中編寫 本次設(shè)計 需要編寫的程序了。重點(diǎn)研究了Proteus 的 ISIS 模塊。最后經(jīng)過 反復(fù)的實驗，調(diào)試系統(tǒng)的程序中的 BUG 最后保證系統(tǒng)按照 本次 設(shè)計好的程序進(jìn)行合理的工作。 經(jīng)過對硬件電路和軟件程序調(diào)試實驗結(jié)果表明，本次論文設(shè)計的基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)能按照 本次 的設(shè)計任務(wù)很好的完成任務(wù)，加速、減速、轉(zhuǎn)向等控制。 本次設(shè)計基本上達(dá)到了設(shè)計目的。所以本次設(shè)計研究 PWM 調(diào)速的直流電機(jī)問題值得大家思考，如何提高直流電機(jī)調(diào)速運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性和精度都是以后必須改善的問題。 sbit wei3=P2^6。//AT24C01 sbit ctrl1=P2^0。//LED2 接口 sbit key1=P1^0。//第四個按鍵接口 uint speed,num。 //占空比設(shè)置， pwm 值越大占空比越大 uchar model=0。i0。 } void delay() 附錄 31 {。 //延時一段時間 wei1=1。 wei2=1。 wei3=1。 wei4=1。 delay()。 delay()。 delay()。 while((sda==1)amp。 } void init()//芯片初始化 { sda=1。 } void write_byte1(uchar dat。 scl=1。 scl=0。 scl=1。 delay()。 delay()。 delay()。 wei4=0。 wei3=0。 wei2=0。 wei1=0。j0。 //延時程序 void delayms(uint x) { uint i,j。 uchar count。//第二個按鍵接口 sbit key3=P1^2。 sbit led1=P3^6。 sbit scl=P3^2。 參考文獻(xiàn) 29 參考文獻(xiàn) [1] 高鵬 ， 史曉東 ， 王樂勇 ． 基于 DSP 的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2021 [2] 胡雙 ,馬志云 ． .永磁無刷直流電機(jī)系統(tǒng)建模研究 [J].電工技術(shù)雜志 ， :17～ 21 [3] 西巴依洛夫，洛奧斯，劉銳鄉(xiāng) ． 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